DOSSIER PROFESSEUR / collège Mission GPS
Présentation de l'atelier 3 Intérêts pédagogiques 3 Déroulement de l'atelier 3 Scénario et défis 3 Matériel utilisé 4 Le GPS : système global de positionnement 4 et de navigation par satellite Système GPS 4 Principe général de fonctionnement 5 Relation GPS cartographie 5 Avenir 7 Mission GPS 2
Présentation de l'atelier A court terme, les équipements de positionnement par satellite seront autant utilisés que l'est une montre aujourd'hui! Dans l'optique de cette généralisation, l'atelier «Mission GPS» a pour objectif de faire découvrir le principe du positionnement par satellite et d'initier à l'utilisation d'un récepteur. Cet atelier pratique s'adresse aux élèves de collège. La salle est équipée de 13 ordinateurs multimédia et d'un tableau interactif. Intérêts pédagogiques découverte d'un système de géolocalisation par satellite utilisation d'un récepteur GPS découverte des principales fonctions des récepteurs GPS L'atelier «Mission GPS» est une initiation et non une utilisation de toutes les fonctionnalités d'un récepteur GPS. Déroulement de l'atelier L'atelier «Mission GPS» dure 90 min et se déroule en 4 parties : introduction rapide des divers systèmes de localisation explication des défis et appropriation du matériel parcours dans le parc pour accomplir les différents défis présentation du fonctionnement des systèmes de positionnement par satellite et de leur avenir Scénario et défis La Cité des télécoms a reçu un message mystérieux. A l'aide de GPS, les élèves devront relever des défis pour découvrir le contenu du message dont une partie a été malencontreusement effacée. Différents défis leur sont proposés : Défi 1 : entrer les coordonnées GPS et rejoindre ce lieu. Défi 2 : retrouver l'endroit où a été prise la photo et s'y rendre. Défi 3 : rejoindre les différents lieux (10) indiqués sur la carte. Une fois le lieu atteint, apparaît soit deux indices (mots ou chiffres), soit une question (une bonne réponse donne droit à deux indices). Défi 4 : retourner à l'atelier GPS pour reconstituer le message mystérieux. Mission GPS 3
Remarque importante Une partie de l'atelier se déroule en extérieur. Les défis se déroulant dans le parc de la Cité des télécoms, il est conseillé de prévoir un vêtement de pluie et de bonnes chaussures. En cas de mauvais temps, la Cité des télécoms vous propose soit une autre animation soit la partie théorique de l'atelier «Mission GPS» complétée par une autre animation. Matériel utilisé Les élèves, par binômes, ont à leur disposition : un récepteur GPS une feuille de mission Le GPS : système de positionnement et de navigation par satellite Depuis son origine, l'homme a toujours eu besoin de se repérer. De tout temps, il a eu recours à des méthodes ou des systèmes plus ou moins fiables et compliqués pour pouvoir s'orienter et rejoindre un lieu déterminé : l'étoile polaire, la boussole, l'astrolabe, le sextant... Puis a été mis au point la localisation par satellite, et notamment le système de positionnement et de navigation : le GPS. Le positionnement est aujourd'hui une information vitale pour un grand nombre de professionnels : le transport (localisation de véhicules, recherche d'itinéraire, contrôle de vitesse, systèmes de guidage, etc.), la marine, l'aviation, la recherche, les loisirs... Système GPS Le système de positionnement global par satellite GPS a été introduit en 1978 par le Département de la Défense Américaine. D'abord destiné aux militaires, il est entièrement accessible aux civils depuis 1995. Ces satellites émettent en permanence des signaux qui permettent à n'importe quel récepteur GPS de déterminer sa position 24h sur 24 sur terre, mer ou dans les airs. De nombreuses informations utiles sont également fournies en permanence par le récepteur GPS, comme la vitesse et la direction de déplacement, l'heure... Mission GPS 4
Constellation de satellites Le système GPS se compose de 3 parties distinctes : la partie spatiale est constituée d'une constellation de 24 satellites GPS répartis autour de la Terre à une altitude d'environ 20 200 km. la partie au sol est constituée de 5 stations de surveillance et d'une station maître. la partie utilisateur comprend le récepteur GPS qui effectue tous les calculs à partir des signaux reçus des satellites. Il peut ainsi fournir des informations sur la position, la route, l'heure et la date, ainsi que toutes autres informations nécessaires à la navigation. Principe général de fonctionnement Le principe du positionnement par GPS se fonde sur le calcul de la distance entre le récepteur GPS et plusieurs satellites. Après être entré en contact avec au moins 3 satellites, le récepteur GPS calcule le temps de propagation de l'onde radio qui se propage à la vitesse de la lumière et en déduit la distance du satellite, puis (1) ECEF : Earthcentered, Earthfixed : terre centrée, terre fixe. Relation GPS cartographie Le récepteur GPS détermine une position dans l'espace par rapport au centre de la Terre, dans un système de coordonnées à 3 dimensions, appelé ECEF 1. Or ce système n'est pas directement exploitable pour retrouver une position sur une carte. Le récepteur doit alors transformer cette information dans un système connu de l'utilisateur, c'est à dire en longitude, latitude et altitude ou tout autre système lui permettant de se repérer. Ce système est appelé «système géodésique». Mission GPS 5
Un système géodésique définit l'endroit précis où passent les lignes imaginaires sur la Terre : la latitude et la longitude. (2) WGS 84 : World Geodetic System 84 : système géodésique mondial (3) ED 50 (système européen) : coordonnées géographiques en degrés rapportées au méridien de Greenwich et coordonnées UTM en km Pour définir les lignes de longitude et de latitude, il est important d'avoir un modèle précis de la Terre. Tout serait plus simple si celle ci était une sphère parfaite et si la gravité était identique partout. Or la Terre ressemble plutôt à un ellipsoïde assez irrégulier et la gravité varie d'un lieu à un autre. Le niveau de la mer varie de près de 200 mètres selon les endroits du globe. Le GPS utilise le système géodésique WGS 84 2 qui définit le niveau moyen des mers pour chaque région du globe. Les cartes IGN utilisent le système ED 50 3, WGS 84 ainsi que le système NTF 4. Une fois la position géographique définie dans un système géodésique, il est alors nécessaire de représenter ces coordonnées dans un système cohérent pour l'utilisateur. (4) NTF (système français) : coordonnées géographiques en grades rapportées au méridien de Paris et coordonnées Lambert en km. (5) UTM : Universal Transverse Mercator Il existe plusieurs systèmes de coordonnées : la latitude et la longitude sont les coordonnées généralement les plus utilisées, d'autres possibilités existent pour représenter une position géographique, comme les coordonnées UTM 5. Les coordonnées utilisées se basent sur la latitude et la longitude. La latitude est une position nord sud mesurée par rapport à l'équateur. Elle est une mesure angulaire s'étendant de 0 à l'équateur à 90 aux pôles. La longitude correspond à la position est ouest mesurée par rapport à un méridien de référence, le méridien de Greenwich (en Angleterre). Cette mesure angulaire s'étend sur 360 de 180 à +180 ou de 180 Ouest à 180 Est. Le tour de la Terre fait 40 000 km et représente les 360 de circonférence. Chaque degré vaut donc : 40 000 km/360 = 111,111 km Mission GPS 6
Longtemps, on a exprimé les coordonnées de toute position par des degrés et ses sous multiples : minutes et secondes. Depuis l'arrivée du système GPS, on a inventé une nouvelle façon d'exprimer les coordonnées géographiques en utilisant des degrés décimaux : degrés minutes secondes : 48 47' 8'' 3 31' 25'' degrés décimaux : 48,7855 N 3,52379 O Convertir les degrés minutes secondes en degré décimaux Formule générale : latitude (degrés décimaux) degrés + (minutes/60) + (secondes/3600) Soit 48 47' 8'' : 48 + (47/60) + (8/3600) = 48,7855 Avenir Le système GPS a été unanimement adopté dans le monde entier. Afin de réduire cette dépendance avec le système américain, d'importants projets ont été développés par d'autres pays ou sont à l'étude : le GPS différentiel, le satellite de télécommunication Inmarsat qui fournit des informations de radionavigation, les systèmes Egnos et Galiléo... (6) Waas/Egnos : Waas pour le continent nordaméricain Egnos pour le continent européen GPS différentiel Aujourd'hui, de nombreux récepteurs GPS sont dits compatibles WAAS/Egnos 6. Egnos, système européen de navigation par satellite, augmente la précision des 2 autres systèmes (l'américain GPS et le russe Glonass). Les signaux Egnos sont émis par des satellites géostationnaires permettant d'obtenir une précision de l'ordre de 1 à 2 mètres en horizontale. Egnos permet ainsi d'offrir aujourd'hui des services proches de ceux qu'offriront Galiléo vers 2018 2019. Galiléo L'Europe développe aujourd'hui son propre système de navigation par satellite. Aux environs de 2020, nous devrions posséder une totale autonomie vis à vis du système américain. Satellite Galiléo Le système Galiléo sera constitué d'une constellation de 30 satellites en orbite à une altitude de 23 616 km. Galiléo offrira partout et pour tous, des services de positionnement par satellite dont la fiabilité sera garantie. Particuliers, entreprises, administrations, tous pourront en bénéficier, que ce soit sur la route, dans les airs ou sur la mer. Autres systèmes GLONASS (système russe) : pleinement opérationnel, à nouveau, depuis décembre 2011. Beidou (système chinois) : opérationnel uniquement sur le territoire chinois et les régions limitrophes (il utilise des satellites géostationnaires, au nombre de quatre actuellement). Son successeur Compass sera global et atteindra une précision de 10 m au sol. l'inde avec l'irnss et le Japon avec le QZSS préparent leur système de positionnement régional. Dans quelques années, la plupart des récepteurs de positionnement par satellite seront capables d'utiliser les signaux provenant des systèmes GPS, Galiléo, etc. Mission GPS 7
Ce dossier a été réalisé par l'équipe de médiation scientifique de la Cité des télécoms de Pleumeur Bodou / 2016 2017 Pour toute information pédagogique, vous pouvez joindre l'équipe de médiation au 02 96 46 68 50